基于32位微控制器MC68HC376的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用

1、基于基于 3232 位微控制器位微控制器 MC68HC376MC68HC376 的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用的開發(fā)設(shè)計和應(yīng)用摘要：摘要：研究了一種新型的 32 位高性能微控制器 MC68HC376，提出了一種基于 MC68HC376 的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計方案，對 MC68HC376 比較有特色的部分做了深入的開發(fā)和討論，通過一種實際產(chǎn)品驗證了該方案的可行性。 ; mso-hansi-font-family: Times New Roman關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：32 位微控制器MC68HC376 可構(gòu)造時鐘模塊（CTM4） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（QADC） 系統(tǒng)設(shè)計 測頻MC68HC376 是 Motorola 公司推出的一種新

2、型的 32 位高性能單片機，具有極強的數(shù)據(jù)處理、邏輯運算和信息存儲能力，可以實現(xiàn)諸如人工智能、模糊控制等復(fù)雜的控制運算模型，有很好的開發(fā)前景。其開發(fā)手段簡單、方便。芯片支持 BDM（Background Debug Mode）模式，通過簡易的專用電纜接口，而不需要使用傳統(tǒng)的仿真器和編程器就可以直接對微控制器系統(tǒng)進行仿真開發(fā)和燒錄程序。本文介紹了在電力系統(tǒng)保護中應(yīng)用 MC68HC376 的一種實際開發(fā)方案。1 1 MC68HC376MC68HC376 的基本特性的基本特性MC68HC376 具有速度快、并行處理能力強、可靠性高、功耗低、功能強大等優(yōu)點。與目前常用的 8 位、16 位微控制器比，其

3、片內(nèi)資源極其豐富，適應(yīng)于各種控制場合；內(nèi)部集成度高，硬件可靠性和穩(wěn)定性強，外部擴展工作少，開發(fā)周期短。1.1 主要功能模塊MC68HC376 為 160 腳的封裝結(jié)構(gòu)。其主要功能模塊包括 32 位 CPU；系統(tǒng)集成模塊（SIM）、4KB 備用 RAM；8KB 片內(nèi) ROM；10 位隊列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（QADC），具有強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制功能；隊列式串行通信模塊（QSM），可以方便地實現(xiàn)同步、異步通信功能；可構(gòu)造時鐘模塊（CTM4），具有多種強大的定時、計數(shù)和脈沖調(diào)制功能；時間處理單元（TPU），可對各種事件進行快速智能處理；3.5KB 靜態(tài) TPURAM；CAN 控制模塊（TOUCAN），能方便

4、地實現(xiàn)工業(yè)自動化等場合的局域網(wǎng)絡(luò)控制。1.2 基本性能（1）24 位地址總線，16 位數(shù)據(jù)總線，支持 32 位數(shù)據(jù)操作；（2）2 個 8 位雙功能 I/O，1 個 7 位雙功能 I/O，1644 個模擬量輸入通道；（3）具有系統(tǒng)保護邏輯，同時可進行時鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視；（4）速度快，在 4.194MHz 晶振下，系統(tǒng)時鐘可達 20.97MHz；（5）功耗低，具備低功率休眠功能；（6）支持高級語言和背景調(diào)試。2 2 基于基于 MC68HC376MC68HC376 的系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計2.1 片外 Flash 和 RAM 的擴展MC68HC376 有 24 位地址線和 12 位可編程的片選線。每根片

5、選線可選通2KB1MB 的地址區(qū)，因此 MC68HC376 具有很強的擴展能力。注意：CS610 與ADDR1923 復(fù)用。如何合理地安排這些線和片選線是系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵。本系統(tǒng)擴展了 2 片 128KB 的片外 Flash 29C010A,2 片 128KB 的片外 RAMHM628128，擴展電路中圖 1 所示（其中的片選信號均采用 10k的上位電阻，圖1 未畫出）。值得注意的是：Flash 和 RAM 均由 A117 尋址，實際上是一種字尋址方式，最低位 A0 不用。2 片 Flash 和 2 片 RAM 的數(shù)字口分別接至 MC68HC376 的D815 和 D07，對應(yīng)字的高低字節(jié)。在程

6、序中應(yīng)注意存放高字節(jié)折芯片對應(yīng)字的低字節(jié)地址。2.2 系統(tǒng)功能選擇電路設(shè)計與 MCS-51 和 MCS-196 系列單片機不同的是，MC68HC376 復(fù)位時數(shù)據(jù)線狀態(tài)決定控制器某些相關(guān)的功能和操作模式。因此，根據(jù)實際系統(tǒng)的功能需要來選擇對應(yīng)的復(fù)位狀態(tài)，是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。所有數(shù)據(jù)線都有內(nèi)部弱上拉電阻，復(fù)位時默認狀態(tài)為高，對應(yīng)系統(tǒng)相應(yīng)的默認功能；當需要利用其非默認功能時，需要強制電路使用應(yīng)數(shù)據(jù)線在復(fù)位時電位為低。相應(yīng)的模式選擇電路如圖 2 所示。為了避免復(fù)位時 MCU 與外部讀寫器件沖突，引入 DS 和 R/W 為門控信號。這里，將 SIM 模塊構(gòu)造兩個通用的并行 I/O 口，將 DB8

7、 和 DB9 在復(fù)位時強制為低；而片選腳分別作為片選或者輸出口，所以 DB07 保持默認狀態(tài)；因系統(tǒng)采用晶振作為外部參考頻率源，所以 MODCLK 腳也應(yīng)保持默認狀態(tài)。2.3 時鐘部分的設(shè)計2.3.1 系統(tǒng)時鐘的獲得本系統(tǒng)采用晶振作為外部參考頻率源，電路和普通晶振電路一樣。但要注意確保 MODCLK 腳在復(fù)位時為高，否則系統(tǒng)會出錯。本系統(tǒng)采用 Motorola 公司推薦的 4.194MHz 晶振頻率，同時通過寫時鐘合成控制寄存器 SYNCR 中的相關(guān)位來獲得一定的系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘頻率與SYNCR 的 W 位、X 位和 Y05 區(qū)的值有關(guān)：Fsys=Fref4(Y+1) 2 (2W+X)/12

8、8當寫入 W=1，X=0，Y=100111 時，F(xiàn)sys=5Fref=20.97MHz。（注意：不要超過 MC68HC376 系統(tǒng)頻率的最大允許值 20.97MHz）。2.3.2 外部濾波電路由于采用外部參考頻率源，所以需要在 XFC 腳上接入濾波電路。應(yīng)盡可能降低 XFC 腳的泄露電流，以提高時鐘的穩(wěn)定性和內(nèi)部鎖相環(huán)的性能。濾波電路如圖 3 所示。2.4 輸入輸出通道系統(tǒng)輸入輸出通道包括模塊量輸入、開關(guān)量輸入、鍵盤輸入、液晶顯示、控制量邏輯輸出等部分。為了減小干擾，開關(guān)量輸入采取光電隔離方式。運用MC68HC376 的 CTM4 模塊測量頻率，由 QADC 模塊實現(xiàn)隊列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。2.

9、4.1 應(yīng)用 CTM4 進行頻率測量Motorola 公司的 CTM4 模塊包括總線接口單元 BIUSM、計數(shù)器分頻子模塊CPSM、1 個 16 位自由計數(shù)器 FCSM、2 個 16 位可自動得裝載計數(shù)器 MCSM、4 個動作單元 DASM、4 個脈寬調(diào)節(jié)子模塊 PWMSM。CPSM 通過對系統(tǒng)時鐘分頻向 CTM4 各個模塊提供 6 種不同的計數(shù)時鐘PCLK1PCLK6。在運行 CTM4 各個單元之前，應(yīng)先設(shè)置并啟動 CPSM。注意，CPSM 的構(gòu)造值關(guān)系到實際測頻和測周結(jié)果的計算。在實際測量中，為了提高測量精度，對于較高的頻率采用計數(shù)測頻法，外部信號經(jīng)過濾波、過零比較后同時接入 MC68HC

10、376 的 CTM2C 腳和 CTD3 腳，由軟件選擇判斷實際采用的方式。測頻子程序包括測頻部分（流程如圖 4）和計數(shù)測頻部分（流程如圖 5）。（1）通過測周間接測頻當待測頻率不高時，采用測周測頻方法。DASM 單元的特點在于不需要軟件的干預(yù)而自動高速、精確地捕捉 CTD3 腳上兩個連續(xù)的上（下）跳沿，兩次捕捉的時間差即為待測信號的周期。（2）通過計數(shù)器直接測頻當待測頻率較高時，采用直接測頻方式。用 CMSM2 作定時器，利用 FCSM12對 CTM2C 引腳的方波信號進行計數(shù)。（3）應(yīng)用 CTM4 測頻的幾個實際問題應(yīng)用 CTM4 測頻的程序結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但有幾個實際問題值得注意：啟動 CT

11、M4 后，不應(yīng)立即啟動 CPSM 產(chǎn)生時鐘，否則會因為程序在設(shè)置相應(yīng)子單元時不同步而造成測量誤差。在完成一次測周后，一般應(yīng)選擇模式 0 停止 DASM；但注意在停止 DASM時，實際對 DASM 還有一個復(fù)位動作，所以最好在關(guān)閉 DASM 前讀出捕捉寄存器A、B 的值。而一般的定時計數(shù)器都是在停止后讀值。在使用計數(shù)測頻方式時，F(xiàn)CSMCNT 在不溢出的狀態(tài)下最大可計量 2 16Hz的頻率。這對更高頻率的測量是不夠的。設(shè)置一個溢出計數(shù)器 N，在每次溢出中斷時加 1 計數(shù)，同時，因此 CTM2C 腳最大允許輸入為 Fsys/4，所以在20.97MHz 的系統(tǒng)頻率下，N 使用 8 位計數(shù)器就可以滿足

12、要求（FCSMCNT 溢出中斷處理程序的流程圖略）。判斷是采用計數(shù)測頻還是測周測頻的頻率定值，應(yīng)該以減少測量誤差為準則，需要對理論誤差進行計算，同時根據(jù)實際測量情況進行調(diào)整。2.4.2 利用 QADC 模塊實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換QADC 的主要功能模塊包括兩個隊列（QUEUE）、命令字（CCW）表、結(jié)果字表和一些相應(yīng)的控制寄存器。QADC 的最大特點是能夠通過寄存器和命令字組織待轉(zhuǎn)換的模擬量，使其按一定的隊列形式在一定條件下觸發(fā)轉(zhuǎn)換序列，并將結(jié)果按一定的格式存放于結(jié)果字表中。在實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換時需要進行的工作如下：（1）構(gòu)造相關(guān)的管腳QADC 的管腳可作為模擬量 I/O、數(shù)字量 I/O 或多路復(fù)

13、用功能腳。在使用和相應(yīng)管之前要先對其進行構(gòu)造。本系統(tǒng)中 16 路模擬輸入口已經(jīng)夠用，不需多路復(fù)用（可達 44 路），因此先對控制寄存器 QACR0 中的 MUX 位清零。相應(yīng)管腳的引用名稱為 AN5259、AN4851、AN03。最后在數(shù)據(jù)方向寄存器 DDRQA 中將相應(yīng)位清零，即管腳設(shè)為輸入。（2）構(gòu)造隊列和命令字表先通過控制寄存器 QACR1 和 QACR2 中的 MQ1 和 MQ2 區(qū)選擇隊列 1 和 2 工作方式。為減少軟件干涉、提高轉(zhuǎn)換程序效率，設(shè)置 MQ1=MQ2=101，即軟件觸發(fā)的連續(xù)掃描方式。根據(jù)所測頻率經(jīng)過軟件倍頻后可以很容易地對相關(guān)量進行跟蹤采樣，而不需要外部鎖相跟蹤電路

14、。然后，按一定的順序和優(yōu)先級來組織隊列。由于沒有多路復(fù)用，這里用 16 個轉(zhuǎn)換命令字（CCW）分別控制 16 路輸入通道。在 CCW 中寫入通道號、采樣輸入時間選擇和放大模式選擇。轉(zhuǎn)換命令字表中最多可有 40 個 CCW。（3）構(gòu)造中斷和結(jié)果讀取在 QADC 結(jié)構(gòu)寄存器 QADCMCR 中寫入中斷判決號，注意中斷判決號應(yīng)該是非零且唯一的；寫隊列控制寄存器 QACR1（2），設(shè)置中斷允許位 CIE1、CIE2；寫QADC 中斷寄存器，通過 IRLQ1（2）區(qū)設(shè)置隊列 1（2）的中斷優(yōu)先級，通過 IVB區(qū)提供 QADC 中斷向量號的高 6 位。當隊列轉(zhuǎn)換完成后申請中斷，中斷服務(wù)程序從結(jié)果字表中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后清除隊列狀態(tài)寄存器 QASR 中的中斷標志位 CF1、CF2，準備下一輪隊列轉(zhuǎn)換。2.5 通信口電路本系統(tǒng)包括 RS-232 接口和 CAN 接口。RS-232 接口通過隊列式串行模塊 QSM和外部的 MAX232 芯片連接實現(xiàn)。CAN 接口通過 TouCAN 模式與外部的 CAN250 芯片連接實現(xiàn)。3 3 應(yīng)用實例應(yīng)用實例應(yīng)用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置 RSA800，通過實時測量電力線的電流、電壓和頻率，進行綜合快速的分析判斷，從而形成保護決策。該裝置已通過電力工業(yè)部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗測試中